2016 VOL.26

Review��
電子ビーム加工機を利用した電子ビーム加工機を利用した金型鋼の表面改質�
金型鋼の表面改質

写真位置�
削 除し ないでください�

�赤尾*
赤尾�尚洋
尚洋

T. Akao
１．まえがき

さ方向に傾斜組成を持たせることが可能となり，母材とコ� 近年，自動車製造を中心としてハイテン等の高強度鋼のーティング層との接合強度は大幅に改善され，比較的低コ搭載率が高まっており，この強度の高いハイテン等を成形ストで耐久性の高いコーティングが可能となる．また，超する冷間加工用金型や切削加工用工具の短寿命化が問題

硬合金皮膜の形成は高速フレーム溶射（HVOF）等でも報となっている 1)．これを解決するための材料開発等さまざ

告されているが 9），本手法で用いる EB 照射では局所加熱まな技術開発が行われており，成果も現れてきている 2)．

が可能となるため，母材への熱影響が抑制できることから

しかしコスト面で言えば，従来用いられている金型鋼精度の高い金型等にも適用でき，さらに真空中で行われる（SKD11 等）の長寿命化処理の実現が求められている．

ため酸化物や窒化物の生成が抑制され高品質の皮膜形成

このような目的の為，一般的には金型や工具鋼の表面に耐が期待される．

摩耗性・耐熱性に優れた硬質セラミックス（CrN，TiN，TiCN 等）のコーティングが行われている．しかしながら，

２．実験方法コーティング材料と母材間での熱膨張係数や熱伝導率な

� 基板として用いる金型工具鋼は JIS(G4404)で規定されど物性値の差による界面剥離等の問題から膜厚は 10μmている冷間金型鋼（SKD11）および熱間工具鋼（SKD61）程度に抑えられており，耐久性が大きな課題となっている．

を用意した．それぞれの化学組成を表 1 に示す．これらの一方，電子ビーム表面加工機は，電子ビーム(EB)を照射

圧延板材（厚さ 3 mm）を 10 mm 角に切断したのち，圧し材料表面を局所加熱することにより，鏡面加工やバリ除延面を鏡面研磨した．EB 照射のみの影響を調査する際に去加工，表面仕上げ加工などに用いられてきた 3), 4)．さらは，この鏡面試料をそのまま用いた．次に金型鋼と複合化に最近では，EB 照射による熱間工具鋼の熱疲労特性の向させるセラミックス材料として，SiC (99.5％，2～3μm)，

上 5)

TiN (99％，1～2μm)，WC (99％，～5μm), および，超硬合金の平滑化 6)など幅広い応用研究が報告さ

WC-Co 混合粉末を用いた．ここで WC-Co 粉末は WC 粉れている．
� そこで本研究では図 1 に示す模式図のように，EB 加工

Electron Beam

機により母材表面において局所的高温を発生し母材合金を溶融することで塗布した硬質セラミックス粉末と複合

Vacuum化し，耐摩耗性に優れる皮膜を形成する手法を検討した．
ここでは，まず EB 照射により母材である金型工具鋼が受PowderComposite

ける影響を調査し，つぎに硬質セラミックス粉末を塗布した試料に対し EB 照射を行い，硬化複合層の形成およびその性質を調査した．
� 鉄鋼材料と硬質セラミックスの傾斜機能複合化は，これMelt pool

までも SPS 7) や液相焼結法 8) 等により精力的に研究されているが，ここで注目している EB 照射による溶融複合化

Mold steel

図 1. 電子ビーム照射による金型表面への硬化複合層形成の模式図が実現されれば，既存の金型や工具に対して母材表面の深表 1. 本研究で用いた冷間金型鋼（SKD11）および熱間金型鋼（SKD61）の化学組成� (wt.%)C
SKD11SKD61

1.40～1.60SiMnP

S～0.40～0.60～0.03～0.03～0.03～0.02

0.35

0.80

0.25～0.42～1.20～0.50* 福島工業高等専門学校機械システム工学科

特命准教授- 121 -CrMoV

11.00

0.80

0.20～13.00～1.20～0.50

4.80

1.00

0.80～5.50～1.50～1.15�

2016 VOL.26(a)

(b)

(c)

(d)

Processedlayer

Processedlayer

M7C350μm

図 2.

50 um

EB照射処理(4mA)を施した金型鋼のSEM像 (a) SKD11表面，(b) SKD61表面，�(c) SKD11断面，(d) SKD61断面

末に対し粒径 5μm の Co 粉末を 17 wt.%添加し，メカニ� 金型鋼とセラミックス粉末との複合化を試みる前に，まカルミリング処理を行い作製した．これらのセラミックス

ず EB 照射により金型鋼母材が受ける影響を調査した．

粉末をエタノール中に分散しスラリー状にしたものを金EB 照射処理後（4mA）の SKD11 および SKD61 各試料

型鋼の研磨表面に筆を用いて塗布した．このとき，塗布さの表面および断面の SEM 観察結果を図 2 に示す．どちれた粉末厚さが 50μm 程度となるようスラリー濃度を調らの金型鋼においても，EB 照射により表面付近に厚さ 40節した．乾燥後，電子ビームマルチ加工機（多田電機，μm 程度の加工層が形成された．SKD11 に関しては，断e-Flush）を用い，EB 照射処理を 40 kV，1～4 mA の出面下部に見られる SKD11 に特有の Cr と Fe の複炭化物力条件にて真空中（～1 Pa）で行った．また走査条件はピ（M7C3）の相（濃い灰色）が加工層では消失している（図ッチ 0.04 mm，周波数 10 kHz に固定し，これにより最終2(c)）．一方，表面には成長方位の異なる微細な樹枝状組的な走査速度を 0.4 m/s とした．試料評価として，光学顕織が観察された（図 2(a)）．これは EB 照射熱により局所微鏡，SEM による表面および断面観察，XRD による相同的に溶融し，その後急冷されることにより，M7C3 の析出定，電子線プローブマイクロアナライザー（EPMA）によ前に急速に凝固成長した結果だと考えられる．SKD61 にる元素分析を行った．また照射による硬さの変化を調査す

関しては，表面にはマルテンサイト変態の痕跡と見られるる為，断面深さ方向のマイクロビッカース硬さを荷重レンズ状の起伏が見られ（図 2(b)），また断面からは10gf，15s 保持にて測定した．

SKD61 母相に観察される白い斑点状の VC 微粒子が加工層では消失している（図 2(d)）．このような EB 照射によ３．実験結果および考察

る加工層に関しては，これまでにも SKD11 へのレーザー� ������� 照射による金型鋼の微細組織，結晶相及び硬さ

加工 10) や大面積電子ビーム照射 4) および SKD61 への電子ビーム照射 5) においても同様の加工層の形成が報告さへの影響�

(a)

(b)

M7C34mA

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

4mAga2mA1mA2mA

1mA

As received

3040aAs received
50607080902θ [Cu-Kα] (deg.)

30405060

2θ [Cu-Kα] (deg.)70

図 3. 電流値を変化させてEB照射処理を施した金型鋼試料のXRDパターン (a) SKD11, (b) SKD61- 122 -8090

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れている．

さが上昇することがわかった．純鉄は EB 照射により特に

� これらの加工層の構成相を確認する為，電流条件を変え硬度が変化しなかったことから，EB 照射による加熱およ

EB 照射を行った各金型鋼試料に対し XRD 測定を行った

びその後の急冷により，合金元素が母相中に固溶し，組織結果を図 3 に示す．まず SKD11 に注目すると，EB 照射が微細化することで硬度が上昇したと言える．特に前および 1 mA 照射の試料ではフェライト相（α相）の母SKD61 の場合に顕著な硬度上昇がみられたが，マルテン相に僅かな M7C3 が存在しているのに対し，2 mA 以上のサイト変態に起因する表面起伏が生じる為，表面性状に大EB 照射では，すべてオーステナイト相（γ相）に変化しきな影響を与えることが予想される．このため，これ以降ている．これは，上記の観察結果を考慮すると，EB 照射のセラミックス粉末との複合層形成の実験は，EB 照射ににより SKD11 が溶融する際，M7C3 も融解し，均一な融より均一な加工層が得られる SKD11 を用いて行った．

液となり，それが急速凝固する過程において，Cr（12％）
および C（1.5％）が母相中に過飽和に固溶することで，������� 照射によるセラミックス粉末と ����� 母材との複合層形成�

γ相が非平衡相として室温で準安定化した状態であると考えられる．一方，SKD61 においては，照射前後で母相� 次に，EB 照射により硬質セラミックス粉末を SKD11であるα相に変化は見られなかった．しかしながら，電流表面に溶融複合化する実験を行った．本研究では，複合化値が 2 mA 以上の場合，各ピークがブロードになっておするセラミックス材料として，炭化珪素（SiC），窒化チ

り，表面観察からも示唆されるようにマルテンサイト変態タン（TiN），超硬（WC）および超硬合金（WC-Co）のにより微細なα’相バリアントが生成した組織であると考各粉末を用いた．

えられる．

� まず，SiC および TiN 粒子を塗布し，EB 照射した試料

� EB 照射した金型鋼に対し，表面から深さ方向のビッカについて断面観察をした結果を図 5 に示す．SiC に関しース硬さを測定した結果を図 4 に示す．ここでは，金型ては，表面に僅かに付着している様子がみられるが，基材鋼と比較するため，純鉄（ME1F）に対する照射結果も示との複合化は生じていない．また，TiN については，一部してある．まず，焼入れ前の SKD11 母材の硬さはおよその粒子が基材内部に存在しており表面付近にも部分的にHV 250 を示したが，EB 照射により表面から 50μm 付近複合化している様子が見られるが，充填量は非常に少なくより徐々に硬度が上昇し，表面付近では HV 500 に達した．

コーティングとしては充分ではない．この要因として，ここの硬化挙動はレーザー加工で確認されている硬度上昇

れらのセラミックス材料が絶縁性を有しかつ低密度のたと一致する 10)．また，上述の断面観察および，XRD の結め，EB 照射時のチャージアップや熱衝撃により，ほとん果より，この硬度上昇はマルテンサイト変態によるものでどの粉末粒子が照射初期に飛散してしたため複合層が形はなく，γ相中への Cr や C などの合金元素の固溶強化と成されなかったと考えられる．一方，導電性および比較的組織微細化によるものであると考えられる．一方，SKD61

高い比重を有する WC 粉末を用いて同様の実験を行ったに関しては，母相が HV200 程度であったのに対し，表面ところ，表面での残存量は増大したものの，WC 粒子のみから 50μm 付近より急激に硬度が上昇し，表面付近ではが溶融凝固し，下層への熱流を遮蔽したため金型鋼が溶融HV 700 に達している．ここでの硬度上昇は，SEM 観察および XRD の結果より EB 照射後の冷却時におけるマルSiC

テンサイト変態による硬化が主な要因であると考えられる．このように EB 照射のみによっても，金型鋼表面の硬Vickers hardness, HV10gf

800

SKD61 + EB

700

SKD11 + EB

600(a)

Pure iron + EB

500
400

300

TiN2001000

図 4.

050100150

Distance from the surface (μm)

200

EB 照射処理した SKD11，SKD61 および純鉄�
基板の深さ方向の硬さ分布(b)
図 5. セラミックス粉末を塗布しEB照射処理 (4mA) したSKD11基板の断面SEM像 (a) SiC粉末, (b)TiN粉末- 123 -2016 VOL.26

せず，ここでも溶融複合化は生じなかった．
� 次に Co をバインダーとして含む WC-Co 粉末を使用した実験結果を示す．SKD11 試料に対し，WC-Co 粉末を塗布し EB 照射 (4mA)を施した試料の表面および断面のSEM 像を図 6 に示す．表面観察から，明るいコントラス
トで示される WC が偏在している様子が見られ，断面には加工層内に WC をリッチに含むコントラストの異なる(a)領域がマーブル様に存在している．この白いマーブル模様を示す組織が WC-Co をどのように含んでいるかを確認する為，EPMA により作成した元素マップを図 7 に示す．

Processedlayer

SEM 像に見られる加工層内の白い領域と対応するのは主に W と Co の分布であり，C は加工層内に比較的均一にWC rich分散しており顕著に対応していないように見える．一方，この白い領域内では Fe や Cr と言った母材の元素濃度が低い傾向が見て取れる．また，加工層全体に Co の成分が(b)含まれており，Co がバインダーとして機能していることが確認できた．さらに，このマーブル模様の界面はぼやけ

図 6. WC-Co 粉末を塗布し EB 照射処理(4mA)した SKD11 の(a)表面および(b)断面 SEM 像ており，はっきりとした析出物－母相界面を形成せず，濃度勾配を有する固溶体を生成していると考えられる．
� 次に，SKD11 に対し WC-Co 粉末を塗布した場合と，塗布していない場合の EB 照射後の XRD パターンを図 8れることから，EB 処理表面全体が WC，Co および W2Cで覆われているのはなく，部分的に母材が露出していることが示唆され，上記観察結果と一致する．WC だけでなく，Intensity (a.u.)

材が EB 照射された際に生成するγ相も僅かながら見らg

WC-Co + EBに示す．WC-Co 粉末を塗布後 EB 照射した試料では，WCだけでなく W2C が存在していることがわかる．また，母50 μm

WCW2CCoEB only

W2C が存在していることから，W-C 系の状態図 11) より，EB 照射により WC が分解する温度（ > 2750℃）まで上昇したのち，さらにその W2C が溶融し，すでに溶融している母材および Co と融合し，それらが急速冷却時に固溶体として凝固したものと考えられる．通常，WC-Co の状
態図 12) からは連続的な組成を有する固溶体は形成されな

3040506070

図8. EB照射処理のみ及びWC-Co粉末を塗布しEB照射処理したSKD11試料表面のXRDパターン

図 7. WC-Co 粉末を塗布し EB 照射処理した SKD11 試料断面の面分析結果（元素マッピング）

- 124 -80

2θ [Cu-Kα] (deg.)90

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Vickers hardness, HV10gf

1200(3) 硬質セラミックス粒子材料として，SiC および TiN

WC-Co
TiN
SiC
without powder

1000800を用いた場合，塗布された粉末粒子のほとんどが EB照射時に飛散し，基材との複合層は形成されなかった．
また，WC 粉末を用いた場合，粒子の飛散は抑制されたが，基材の溶融が妨げられたため複合層は形成され600なかった．

400(4) WC-Co 粉末を塗布し EB 照射を行うことにより

200

この複合層の形成は不均一であり，母材表面を完全に0WC-Co と基板母材との複合層が形成された．ただし，被覆するには至らなかった．
050

100150(5) 上記複合層が形成されたことで，表面付近 (～20200

Distance from the surface (μm)μm) の平均硬度が HV1000 程度に達した．

図 9. SKD11 基板に各種セラミックス粉末を塗布しEB 照射処理した試料における深さ方向の硬度分布

謝� 辞�

いと考えられるが，本研究で用いた EB 照射条件では溶融

本研究は公益財団法人�天田財団による一般研究開発助成状態からの急速冷却となるため，非平衡相として固溶体が（����������）の援助を受け実施されたものです．ここに存在している可能性がある．また，2WC → W2C + C と謝意を表します．また本研究は陳中春教授（鳥取大学），分解することにより余剰 C が存在していることが示唆され，上記 EPMA の結果において C が加工層全体に分布し音田哲彦准教授（鳥取大学），上原一剛准教授（鳥取大学付属病院）との共同研究にて行われました．電子ビーム加ている状況とも合致する．

工機の利用に際しては多田電機㈱様のご協力を賜りまし� 図 9 に WC-Co 粉末を塗布後 EB 照射した SKD11 試料た．ここに記して御礼申し上げます．の深さ方向の硬度分布を示す．WC-Co の存在により図 4

参考文献で示した EB 照射のみの結果と比較して表面付近（～201) 田村 庸：塑性と加工, 50 巻, 582 号, (2009), 592.

μm）での硬度が上昇し，最高で HV 1000 に達した 13)．

2) 久保田邦親，小松原周吾，扇原孝志，鳴海雅稔，山通常の超硬合金の硬度は WC 粒径やバインダー組成によ岡美樹：日立金属技報, 21 巻, (2005), 45.

り HV1000～1800 程度の値をもつことから，上記硬度上

3) 岡 田 晃 ， 宇 野 義 幸 ， 藪 下 法 康 ， 植 村 賢 介 ， P.

昇の要因は，EB 照射により SKD11 表面において WC-Co

Raharjo：精密工学会誌, 69 巻, 10 号, (2003), 1464.と母材の溶融複合層が形成された為であると考えられる．

4) 岡田 晃，宇野義幸，仁科圭太，植村賢介，P. Raharjo，

また，WC-Co を含む複合層の形成に伴い，硬度が深さ方

佐野定男，虞 戦波：精密工学会誌, 71 巻, 11 号,向に傾斜分布している様子が見られるが，図 6(a)に見られ(2005), 1399.

るように本実験で得られた複合層において WC の面内分

5) 薩田寿隆：熱処理, 52 巻, 4 号, (2012), 220.

布の不均一性が大きいことから，深さ方向への傾斜組成に

6) 北田良二，岡田 晃，宇野義幸，郭 洪閣：精密工学

よる硬度変化だけでなく， WC リッチ領域の不均一分布

会誌, 76 巻, 12 号, (2010), 1393.

を反映しているものと考えられる．実用化の為には WC分布の均一性向上が不可欠である．

7) M. Tokita：Mater. Sci. Forum, Vol. 423-425, (2003),

４．結言8) Z.Z. Fang and O.O. Eso：Scripta Materialia, Vol.

39.
52, (2005), 785.

� EB 照射により金型用工具鋼が受ける影響および， EB9) 黒田聖治，渡邊 誠：高温学会誌, 36 巻，6 号, (2010) ,照射を用いて硬質セラミックス粒子を基材との複合層を254.

形成する手法を検討したところ以下の知見を得た．

10) 田村武夫，大久保 努：精密工学会誌, 66 巻, 11 号,(1) EB 照射のみを施した SKD11 の表面には，EB 照射(2000), 1797.

により溶融状態から急速凝固することにより微細な

11) A.S. Kurlov and A.I. Gusev：Inorganic Materials,樹枝状組織が形成され，Cr や C 等を過飽和に含んだVol. 42, No. 2, (2006), 121.

オーステナイト（γ）相として存在する．このγ相で12) C.M. Fernandes and A.M.R. Senos ： Int. J.

は，組織の微細化と固溶強化により，硬度が HV500

Refractory Metals and Hard Mater., Vol. 29,程度まで上昇した．

(2011) , 405.

(2) SKD61 を用いた場合でも，VC 析出物が消失した均

13) T. Akao, Y. Sakurai, T. Onda, K. Uehara, and Z.-C.

一な加工層が形成され，冷却時に生じたマルテンサイ
ト変態により表面硬度が HV 700 に達した．

Chen：Procedia Eng., Vol. 81, (2014), 1939.
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